Auf dem Weg zum Graphen-Transistor

  • 08. September 2014

Aneinanderreihung von dotierten und nicht-dotierten Graphenstücken etabliert Heteroübergänge.

Als ultraschmales Band hat Graphen Halbleitereigenschaften – obwohl das Material eigentlich leitend ist. Forscher der EMPA und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun Graphenmoleküle mit Stickstoffatomen dotiert. Indem sie dotierte und nicht-dotierte Graphenstücke nahtlos aneinanderreihten, konnten sie in den Nanobändern Heteroübergänge etablieren. Sie sind die Voraussetzung dafür, dass Strom beim Anlegen einer Spannung nur in eine Richtung fließt und damit der erste Schritt zu einem Graphen-Transistor. Zudem gelang es dem Team, die Graphenbänder von ihrer Goldunterlage, auf der sie gewachsen sind, zu lösen und auf ein nichtleitendes Material zu übertragen.

Graphenband

Abb.: Heterostruktur aus einem reinen und einem mit Stickstoffdotierten (blau leuchtenden) Segment eines Graphenbands. (Bild: EMPA)

Graphen besitzt viele herausragende Eigenschaften: Es leitet ausgezeichnet Wärme und Strom, ist durchsichtig, härter als Diamant und enorm fest. Doch um effiziente elektronische Schalter daraus zu bauen, muss ein Material nicht nur hervorragend leiten können, es muss sich auch an- und ausschalten lassen. Dafür ist die Bandlücke nötig, die den isolierenden Zustand in Halbleitern ermöglicht. Das Problem: Die Bandlücke ist bei Graphen verschwindend klein. Forscher der EMPA hatten bereits eine Methode entwickelt, eine Form von Graphen mit größeren Bandlücken zu synthetisieren. Dazu ließen sie ultraschmale Graphenbänder durch molekulare Selbstorganisation wachsen.

Nun haben die Wissenschaftler ein weiteres Etappenziel erreicht: Graphenbänder aus unterschiedlich dotierten Teilsegmenten. Indem sie normale und mit Stickstoff dotierte Segmente auf einer Goldoberfläche aneinander reihten, entstanden zwischen den einzelnen Stücken Heteroübergänge. Diese Übergänge weisen ähnliche Eigenschaften auf wie klassische p-n-Übergange, bewirken also, dass der Strom nur in eine Richtung fließt. Die Forscher konnten noch ein weiteres Problem der Integration von Graphen-Nanotechnologie in die herkömmliche Halbleiterindustrie lösen: Wie überträgt man die ultradünnen Graphenbänder auf eine andere Oberfläche? Denn solange die Graphenbänder auf einem Metallsubstrat liegen, sind sie als elektronische Schalter nicht zu gebrauchen: Gold und erzeugt einen Kurzschluss, der die halbleitenden Eigenschaften des Graphenbands sabotiert. Das Team konnte die Graphenbänder in einem relativ einfachen Ätz- und Reinigungsprozess effizient und intakt auf andere Substrate übertragen, etwa auf Saphir, Kalziumfluorid oder Siliziumoxid.

So mausert sich Graphen zu einem interessanten Halbleitermaterial und zu einer willkommenen Ergänzung des omnipräsenten Siliziums. Attraktiv sind die halbleitenden Graphenbänder, weil sie kleinere und somit energieeffizientere und schnellere elektronische Bauteile ermöglichen als Silizium. Mit dem Einsatz von Graphenbändern in der Elektronik ist allerdings nicht sehr bald zu rechnen. EMPA-Forscher Roman Fasel schätzt, dass es noch etwa 10 bis 15 Jahre dauert, bis die ersten Schalter aus Graphenbändern in einem Produkt auftauchen.

EMPA / RK

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